[发明专利]一种基于可垂直起降无人机的低空隔离空域交通管理方法

权利要求书

1.一种基于可垂直起降无人机的低空隔离空域交通管理方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：对起飞前的无人机进行计划审核和起飞授权，具体如下：

步骤1.1：建立无人机状态的预估函数；

步骤1.2：基于预估函数，建立计划审核的关键问题模型；

步骤1.3：近似求解计划审核的关键问题模型，确定是否通过无人机的飞行计划，若通过，输出起飞时间和航路点；

步骤1.4：对起飞前的无人机进行起飞授权；

步骤二：对飞行中的无人机进行冲突检测和流量控制，具体如下：

步骤2.1：预估通过了起飞授权的无人机是否会发生冲突，若发生冲突，输出目前最有可能发生冲突的无人机对和预测冲突时间；

步骤2.2：根据冲突检测的结果，建立流量控制的关键问题模型；

步骤2.3：近似求解流量控制的关键问题模型，确定是否解决冲突，若冲突解决，输出无人机在当前航路的新标称速度；

其中，可垂直起降无人机在航路网中飞行的设定如下：

1)航路网抽象为一副有向图G＝(V,E,A)；

2)航路网中，第j个交汇节点为n_j，坐标为共有M个交汇节点，记为V＝{n₁,n₂,...,n_M}；其中，任意两个节点之间的距离为

3)对于节点之间存在的直线航路，用图论中的E来表示；航路(n_i,n_j)∈E的固定容量为即可容纳无人机个数；无人机在航路上做直线飞行；

4)有N架可垂直起降无人机，已知第i架无人机的起飞点n_i,1，降落点i＝1,2,...,N，其中第i架无人机的航路点个数为M_i；已知第i架无人机的可接受执行时间段为[t_i,apts,t_i,apte]，安全距离为r_a，优先级为priority_i；

5)在航路(n_i,n_j)∈E上的无人机按照该航路的标称速度飞行，进一步定义有向图G的邻接矩阵A元素如下：

6)地面的起飞点与其正上空的节点是成对出现的；

步骤1.1具体如下：

建立一个预估函数P(t_0,i,t_pre,U_i,A)来预估第i架无人机在预测时刻的位置p_i(t_pre)和状态S_i(t_pre)∈{断电,等待授权,飞行,其它}，其中，t_0,i表示第i架无人机的起飞时间，t_pre表示预估时刻，U_i＝U_i(p_i,v_i,h_i,h_v,i,n_i,cur,S_i)表示第i架无人机的计划信息，p_i,v_i分别表示第i架无人机当前的位置和速度，表示第i架无人机的航路点，表示第i架无人机航路点之间的标称速度序列，n_i,cur表示第i架无人机当前的目标航路点，S_i表示第i架无人机当前所处状态；

首先推算第i架无人机从当前位置到当前目标航路点所需时长为

其中，表示目标航路点n_i,cur的位置，表示第i架无人机上一目标航路点n_i,cur-1和当前目标航路点n_i,cur之间的标称速度；

从当前位置到下一航路点所需时长为

令T＝t_pre-t，t表示当前时刻，以此类推得到预估第i架无人机的位置表达式为

其中，表示第i架无人机第M_i个航路点位置；

同理得到，预估第i架无人机的状态表达式为

步骤1.2具体如下：

现在有一架新的无人机i需要进入航路网，基于预估函数P(t_0,i,t_pre,U_i,A)，建立如下的优化问题：

s.t

||p_i(t_0,i+s)-p_k(t_0,i+s)||≥2r_a,s∈(0,T_i),k∈U_active (6)

t_i,apts≤t_0,i≤t_i,apte-T_i (8)

式(5)是优化目标，期望第i架无人机的起飞时间最早；

式(6)是冲突约束，冲突是由无人机之间的距离是否小于安全距离r_a进行判定的；为了安全性着想，第i架无人机在飞行过程中的任意时刻均不与当前时刻在等待起飞授权和已经通过起飞授权的任何一架无人机发生冲突，预测的时候限制判断距离大于等于2r_a；U_active表示当前时刻已经通过起飞授权的无人机集合；

式(7)是容量约束，固定容量是由安全半径r_a与节点间的距离所决定；在第i架无人机的飞行过程中，任意时刻其所在航路的无人机数量都应该小于等于该航路的固定容量；表示第i架无人机在t_pre时是否位于航路(n_i,n_j)上，则表示第k架无人机在t_0,i+s时是否位于上一目标航路点n_i,cur-1和当前目标航路点n_i,cur之间的航路(n_i,cur-1,n_i,cur)上；表示n_i,cur-1和n_i,cur之间的距离；表示第i架无人机第l个航路点n_i,l和第l+1个航路点n_i,l+1之间航路的固定容量；

式(8)是起飞时间约束，第i架无人机的起飞时间应该大于等于其可接受执行时间段的起始时间，同时其起飞时间与飞完全程所需时间的总和应该小于等于其可接受执行时间段的截止时间，即确保第i架无人机全程飞行都在其可接受执行时间段[t_i,apts,t_i,apte]内；

式(9)是电量约束；第i架无人机飞完全程所需的时间由分配到的航路点之间的距离与对应的标称速度h_v,i所决定，其需要小于第i架无人机的最长续航时间；表示n_i,l和n_i,l+1之间的距离；表示n_i,l和n_i,l+1之间的标称速度；

此外，对优化结果t_0,i有如下的超时时间约束

t_0,i-t＜T_wait (10)

其中，T_wait表示超时时间；当t_0,i-t大于等于T_wait时，表示第i架无人机还需要等待很长时间才能起飞，建议过T_wait时长后重新提交申请；

步骤1.3具体如下：

S1：获取新加入的无人机i的安全距离r_a和整个计划信息U_i；

S2：更新航路网信息A和当前时刻t，通过Dijkstra算法得到无人机的航路点h_i，并计算飞完全程所需的时间T_i；

S3：预估s∈(0,T_i)的位置信息p_i(t_0,i+s)，解公式(5-9)表示的优化问题；

S4：若有解则直接执行S5；

若无解且原因是冲突问题，则判断与其发生冲突的所有无人机的优先级priority_k,k∈U_i,conllision是否均小于自己，U_i,conllision表示预测与第i架无人机将发生冲突的无人机集合；若是则拒绝无人机k的申请后重新执行S3；否则拒绝无人机i的申请，等T_wait时长后重新执行S2；

若无解且原因是容量问题，则暂时令超容对应的航路固定容量为0，再重新执行S2；

其余情况均建议过T_wait时长后重新执行S2；

S5：如果满足公式(10)的超时约束条件，则输出无人机的航路点和起飞时间；否则建议过T_wait时长后重新执行S2；

步骤2.1具体如下：

定义第i架和第j架无人机之间的距离

其中，T_max＞0表示估计时间，U_active(s)表示s时刻已经通过起飞授权的无人机集合，p_i(s)、p_j(s)分别表示s时刻第i架、第j架无人机的位置；

如果d＜r_a，那么表示可能会发生冲突；如果r_a＜d＜2r_a，报警提示；否则表示安全；若发生冲突，则输出目前最有可能发生冲突的无人机对和预测冲突时间；

步骤2.2具体如下：

根据冲突检测的结果，进行交通调度，建立如下数学模型：

s.t

||p_i(s)-p_j(s)||≥r_a,s∈(t,t+T_max),j∈U_active(s) (13)

t_0,i+T_i≤t_i,apte (15)

式(12)是优化目标，期望在最小范围内调整冲突无人机的航路点间速度；表示第i架无人机经过交通调度后的标称速度；

式(13)是冲突约束，第i架无人机从当前时刻开始估计时间T_max内的任意时刻均不与当前时刻在等待起飞授权和已经通过起飞授权的任何一架无人机发生冲突；

式(14)是容量约束，在第i架无人机从当前时刻开始估计时间T_max内的任意时刻，其所在航路的无人机数量都应该小于等于该航路的固定容量；

式(15)是截止时间约束，第i架无人机的起飞时间与飞完全程所需时间的总和应该小于等于其可接受执行时间段的截止时间；

式(16)是电量约束，第i架无人机已经飞行的时间、从当前位置到目标航路点的时间、到达目标航路点后至飞行结束的时间，分别由t-t_0,i，表示；

式(17)是速度约束，v_i,min和v_i,max分别表示第i架无人机的最小速度和最大速度；

步骤2.3具体如下：

S10：获取预估时间T_max和安全距离r_a；

S20：更新空域航路网信息A，当前时刻t，所有已通过起飞授权的无人机信息U_i,i∈U_active；对空域内所有已通过起飞授权的无人机进行冲突检测，若有冲突无人机则输出发生冲突的无人机U_collision和可能的冲突时间；否则执行S50；

S30：解公式(12-17)所示的优化问题；

S40：若有解则输出无人机在当前航路的新速度然后执行S50；

若无解则启动无人机自身的防碰撞算法，待冲突解决后再执行S20；

S50：间隔T_max时长后，重复执行一次S20。